含玻璃粉砂浆的ASR风险及抑制效果研究

饶美娟，邓灵敏，杨贺菲

(长江科学院a.材料与结构研究所；b.水土保持研究所,武汉 430010)

含玻璃粉砂浆的ASR风险及抑制效果研究

饶美娟a，邓灵敏b，杨贺菲b

(长江科学院a.材料与结构研究所；b.水土保持研究所,武汉 430010)

废弃玻璃磨细成粉料后用作混凝土辅助胶凝材料,不仅可以控制ASR(alkali-silica reaction,碱-硅反应),而且还能激发其火山灰活性。采用砂浆棒快速法,将玻璃粉代替标准砂用作骨料,研究各种骨料替代率条件下的砂浆棒ASR膨胀率大小。掺量为50%时,14 d ASR膨胀率最大。将玻璃骨料与标准砂以1∶1比例成型试件,探讨各种玻璃粉细度、掺量、养护温度、龄期条件下对砂浆棒ASR反应的抑制效果,粉磨时间越长,砂浆棒膨胀率呈降低趋势,掺入粉磨1h玻璃粉在相同掺量下对砂浆棒膨胀率的抑制效果最明显。养护温度对砂浆棒早期膨胀率起主导作用。

玻璃粉；ASR；掺量；细度；抑制

2015,32(11):105-109

1 研究背景

自上世纪70年代起,已有将废弃玻璃用于混凝土中的应用研究[1-2],玻璃粉是一种新型潜在辅助胶凝材料,在硅酸盐水泥环境下虽然具有独特的水化机制,但也存在ASR风险[3-5]。目前的研究中,主要通过物理和化学处理来抑制ASR。物理处理主要是通过粉磨减小玻璃颗粒的尺寸,随着颗粒尺寸的减小,ASR风险显著降低,同时,当磨细玻璃或玻璃粉用于胶凝体系时,还能提高混凝土的强度[6-8]。化学处理通常是掺用某些盐、酸或专利产品等,这在砂浆棒实验中已被证明能有效控制ASR[9-11]。

废弃玻璃磨细成粉料后用作混凝土辅助胶凝材料,不仅可以控制ASR,还能激发其火山灰活性[12]。本研究从玻璃粉的骨料替代率来探讨玻璃粉的ASR风险,同时研究不同掺量条件下,玻璃粉作为掺合料在不同细度和不同养护温度下对ASR的抑制机理。

2 骨料替代率对ASR的影响

试验中玻璃粉的获得方法:将废弃啤酒瓶经过清洗、晾晒、破碎等工序处理后,用实验室的球磨机粉磨得到。粉磨时要考虑试验的具体设计及不同的时间。其主要化学成分见表1。

图1是废弃玻璃粉3种粉磨细度下SEM(Scanning Electron Microscope扫描电镜)形貌,可以看出玻璃粉呈现不规则棱角形,表面光滑,细度越大,粒径越小,级配越好。

将玻璃粉按照总骨料量的0%,10%,30%, 50%,70%,90%,100%掺入,水胶比为0.47。试验采用砂浆棒快速法,膨胀率随龄期的变化如图2。

表1 玻璃粉的化学组成含量Table 1 Chemical components of glass powder %

图1 玻璃粉的颗粒形貌Fig.1 Microscopic observation results of particle appearance of glass powder

图2 不同玻璃骨料替代率砂浆棒膨胀曲线Fig.2 Curves of expansion rate of mortar vs.age in the presence of different replacement proportions of glass aggregate

图2中,随着玻璃骨料替代率的增加,砂浆棒的膨胀率呈增加趋势,早期砂浆棒膨胀率以骨料替代率50%为最大,但是龄期28 d时却是90%替代率砂浆棒膨胀率最大,但均与50%,70%替代率相近。虽然龄期14 d,所有掺量玻璃的膨胀率都＜0.1%,但是28 d龄期的50%,70%,90%替代率的砂浆棒膨胀率均＞0.2%,可知,玻璃粉高骨料替代率会产生ASR危害。

许多研究表明,随着玻璃粉掺量的增加,膨胀率呈增加的趋势,因为随着玻璃粉含量的增加,活性二氧化硅的含量增加。但是不是所有的二氧化硅都参与了反应生成碱硅酸凝胶。随着掺量的增加,溶液中的二氧化硅的含量增加,比表面积增加,吸附更多OH-,从而没有足够的OH-参与碱硅酸反应,使碱硅酸凝胶的生成量降低。

3 养护条件对掺玻璃粉砂浆棒ASR反应的影响

在骨料替代率试验中,掺50%玻璃骨料无论14 d膨胀率还是28 d膨胀率都是相对较高的,试验中全部采用50%玻璃骨料替代率,选取玻璃粉掺量0%,10%,30%,50%,粉磨时间为0.5,1,2 h,在40, 80℃条件下养护,水胶比为0.47。图3为养护温度40℃时不同粉磨时间、不同玻璃粉掺量对ASR膨胀率的影响。

图3 养护温度40℃不同粉磨时间下不同玻璃粉掺量对ASR膨胀率的影响Fig.3 Effect of blending ratio of glass powder on ASR expansion rate of mortar with grinding durations under 40℃

由图3可知,养护温度为40℃时,砂浆棒膨胀增长率发展比较缓慢,随着玻璃粉替代率的提高(粉磨0.5,1,2 h),砂浆棒的膨胀率均为下降趋势,说明掺入玻璃粉能有效控制ASR反应。对于掺入粉磨0.5 h和粉磨1 h的玻璃粉,抑制效果较为接近。对于粉磨1 h的玻璃粉掺量＞20%,抑制效果很好,对于粉磨0.5 h的玻璃粉,玻璃粉掺量＞30%有较好效果。这有可能是因为玻璃粉与石灰粉反应生成低钙硅比的水化硅酸钙,其中水化硅酸钙保留了一部分碱,从而减少了参与ASR反应所需要的碱,降低了ASR反应程度。但更合理的解释可能是因为粉磨0.5 h以及1 h的玻璃粉具有良好的火山灰活性,在水泥基材料早期水化过程中发挥了火山灰效应,使得玻璃粉中的活性成分更多的参与了火山灰反应,降低了ASR反应程度,达到良好的抑制效果。随着龄期的增长,试件总体膨胀率增加的情况下,有局部收缩的情况发生。低温环境下,玻璃粉对ASR膨胀的抑制作用也在减弱。玻璃粉掺量达到50%时,才能明显降低粉磨细度为0.5,1 h的砂浆棒膨胀率,并将40 d龄期膨胀率控制在0.05%以下。

图4 养护温度80℃不同粉磨时间下不同玻璃粉掺量对ASR膨胀率的影响Fig.4 Effect of blending ratio of glass powder on ASR expansion rate of mortar with grinding durations under 80℃

将养护温度80℃试验结果(见图4)与40℃试验结果相比较,80℃养护环境下,无论细度大小,膨胀率发展均较快,但是随着粉磨细度的减小,膨胀率显著降低,各种掺量条件下膨胀率差异减小。80℃掺入粉磨0.5 h玻璃粉,在2种温度条件下膨胀量接近,80℃时掺粉磨1 h玻璃粉无论掺量多少,膨胀率是最低。对于掺入粉磨1 h玻璃粉的砂浆棒,30%与50%掺量随着养护温度的升高膨胀率下降显著,而掺入粉磨2 h玻璃粉的砂浆棒,掺量20%以上时高温养护条件下膨胀率与膨胀率增长速度都显著增加,这说明了高温条件下粉磨1 h玻璃粉的火山灰效应与颗粒填充效应协调发展,有效地抑制了ASR反应。

4 不同龄期细度对掺玻璃粉砂浆棒ASR反应的影响

水泥与不同粉磨时间下玻璃粉的平均粒径如表2所示。

表2 水泥和不同粉磨时间下玻璃粉的平均粒径Table 2 Average particle sizes of cement and glass powder under grinding durations

图5 不同龄期玻璃粉在不同细度不同掺量下的膨胀率Fig.5 Expansion rate of mortar containing glass powder with grinding durations，fineness，and blending ratios

图5为不同龄期玻璃粉在不同细度、不同掺量下的膨胀率。由图5可知,3 d和28 d龄期各种掺量条件下玻璃粉细度对砂浆棒膨胀率的影响都比较明显,掺粉磨1 h玻璃粉在各种掺量下膨胀率都相对较低,其次是掺粉磨2 h玻璃粉,掺粉磨0.5 h玻璃粉效果最差。对于28 d龄期,各种掺量下掺粉磨1 h玻璃粉膨胀率均较高,甚至超过了粉磨0.5 h玻璃粉,但是3种细度条件下砂浆棒膨胀率差异均不大,说明在水化中期,细度对于砂浆棒膨胀率抑制不起主导作用。

5 玻璃粉掺量对砂浆棒ASR反应的影响

图6表示掺粉磨0.5,1,2 h,这3种玻璃粉细度在掺量从10%～50%变化时,膨胀率随龄期的变化趋势。

图6 不同玻璃粉掺量下砂浆棒膨胀率随龄期的变化Fig.6 Expansion rate of mortar with ages under blending ratios of glass powder

40℃养护下,随着玻璃粉掺量的增加,膨胀率呈下降趋势。相对于粉磨1 h和2 h的玻璃粉,粉磨0.5 h玻璃粉随着掺量的不同呈不规律变化,掺量对砂浆棒膨胀率的影响相对较小,不同于其他2种细度,掺量增大到20%以上时砂浆棒膨胀率降低非常显著,原因是粉磨0.5 h的玻璃粉粒径相对较大,此时玻璃粉火山灰活性较低,一方面掺量增加但是参与水化的玻璃粉并不多,另一方面在水泥水化过程中玻璃粉的填充效应也不如粒径更小的,ASR反应仍可以在玻璃粉与水泥水化物之间的空隙中进行,使得抑制效果不明显。

80℃养护下,掺入粉磨0.5 h和1 h玻璃粉,掺量为10%时,14 d膨胀率均超过了0.05%,说明在掺量较小时,粒径相对较大的玻璃粉砂浆棒在高温条件下是存在ASR危害的。掺入不同粉磨细度的玻璃粉,掺量从10%～50%变化的过程中,早期膨胀率几乎一致,这说明在水化早期,养护温度对水泥玻璃粉胶凝体系的水化起主导作用,细度的影响很小。玻璃粉的掺量对膨胀率的影响在龄期的发展过程中不断扩大,特别是在玻璃粉较大粒径,且掺10%和20%时影响尤明显,膨胀率迅速降低。当掺量继续增加时,掺粉磨1 h玻璃粉砂浆棒膨胀率仍以较快速率降低,而对于掺粉磨2 h玻璃粉砂浆棒,尽管膨胀率也在降低,但是降低速率缓慢。

6 机理分析

ASR反应从本质上来说是一种体积膨胀的反应,在水泥水化固化过程中,局部发生的膨胀反应产生局部的膨胀,就带来了局部混凝土开裂,进而对工程造成破坏,而且这种破坏是很难修补的。将玻璃粉作为掺合料掺到混凝土以后,带入了更多的活性二氧化硅,在水泥水化固化过程中,分散的活性二氧化硅在混凝土中较均匀的反应着,有效地避免了局部的体积增大,抑制了ASR反应带来的破坏作用。同时,粉磨后的玻璃粉具有一定的火山灰活性,在水泥基材料早期水化过程中发挥了火山灰效应,使得玻璃粉中的活性成分更多地参与了火山灰反应,降低了ASR反应程度,达到良好的抑制效果。改变玻璃粉的细度,也就是改变了活性二氧化硅的分散程度,在一定意义上是会改变抑制效果的。养护温度的改变,会改变活性二氧化硅的反应活性；随着龄期的增长,反应越来越充分；掺量的改变,也是改变了活性二氧化硅的均匀程度,都会带来ASR反应抑制效果的改变。

7 结 论

本文研究各种骨料替代率条件下的砂浆棒ASR膨胀率大小,并探讨各种玻璃粉细度、掺量、养护温度、龄期条件下对砂浆棒ASR反应的抑制效果,结论如下:

(1)将玻璃粉代替标准砂用作骨料时,掺和量为50%时,14 d ASR膨胀率最大。

(2)掺玻璃粉对砂浆棒ASR反应具有抑制效果,玻璃粉细度、养护温度、养护龄期、掺量均对其抑制效果有影响。随着玻璃粉细度的降低,膨胀率也呈降低趋势,掺入粉磨1 h玻璃粉在相同掺量下对砂浆棒膨胀率的抑制效果最明显。

(3)养护温度对砂浆棒3 d的膨胀率起主导作用,掺量与细度对膨胀率的影响较小。

(4)相同龄期内,玻璃粉掺量为20%时,砂浆棒膨胀率降低迅速,随着掺量的增加,膨胀率降低趋于缓慢。

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(编辑:刘运飞)

ASR Risk and Inhibition Effect of Mortar Bar Containing Glass Powder

RAO Mei-juan1,DENG Ling-min2,YANG He-fei2
(1.Materials and Structure Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；2.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

Waste glass powder,as a kind of admixture in concrete,can not only restrain alkali-silica reaction (ASR),but also stimulate pozzolanic activity.In association with accelerated mortar-bar test(AMBT),the glass powder,rather than the standard sand,is used as aggregate to study the ASR expansion rate of mortar bar under aggregate replacement proportions.We made specimens containing the glass aggregate and standard sand in equal ratios,exploring the inhibitory effect of fineness,content,curing temperature and age on ASR reaction of mortar bar. The results show that,when the blending ratio of glass powder is 50%,the maximum ASR expansion occurs with 14d curing；then,the ASR expansion rate of mortar bars decreases when grinding duration of glass powder increases；meanwhile,glass powder with grinding duration of 1 hour is the best for restraining ASR expansion；finally, curing temperature plays a dominant role in the expansion rate of the mortar bar during early age.

glass powder；ASR；blending content；fineness；restraining

TU528

A

1001-5485(2015)11-0105-05

10.11988/ckyyb.20140878

2014-10-14；

2014-11-25

饶美娟(1985-),女,湖北武汉人,博士后,主要从事高性能水泥基材料的研究,(电话)13607122449(电子信箱)raomeijuanding@163. com。